1.本实用新型属于等离子体物理及应用科学研究领域，具体涉及一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，如等离子体辅助燃烧系统和固氮系统。
背景技术：2.利用可再生能源制氨是解决氢存储、运输瓶颈的重要举措。利用绿氢/氨替代含碳化石能源的氨能燃料利用技术路线是指使用氨作为储氢储能介质，使用成熟的氨储存和输运网络，在终端应用上采用煤电掺氨燃烧减碳或混合燃气发电，从而渐进式的达到碳达峰和碳中和目标。与氢相比氨的优点是能量密度大、易液化、易储运，与汽油相比氨的热值稍低、辛烷值较高、抗爆性能好，但氨的燃点高，使用时需要较高压缩比或外点火触发才能保证混合气被点燃。文献1(周上坤等，氨燃烧研究进展，中国电机工程学报，2021年)介绍了使用氢气、天然气、柴油等碳氢燃料对氨燃烧特性的增强措施，比如掺氢40％时在空气中燃烧时的层流火焰速度与甲烷相当，但这种方式需要另外增加一种燃料，使其使用受到一定的限制。另一种提高氨层流火焰速度的方法是富氧燃烧，在纯氧中氨的火焰传播速度达到1.09米/s，火焰厚度则仅有0.2mm。在氧气浓度达到30％时，层流火焰速度可以达到38.6cm/s，主要是因为氧气浓度的增加提高了反应区羟基、氢原子、氧原子和氨基的反应速率，但是这种方式需要对自然界的空气进行富氧化处理。
3.等离子体是中性粒子和带电粒子的集合体，是宏观上呈电中性的电离态气体。在等离子体中，反应物被激发产生热、电子、长寿命中间组分、活性自由基、激发态分子、燃料碎片、离子风、库仑力和洛伦兹力，同时氨在等离子体氛围下可以分解成氮气和氢气，更利于氨的燃烧。微波等离子体点火器拥有更大的等离子体羽翼体积以及点火速度，进而更有益于点火与助燃，使得化学反应速率大幅提高，大大缩短了点火延迟时间，提高了燃烧效率。通过分析，从各项技术的改善效果与所需费用来看，微波及微波等离子体助燃技术其性价比非常显著。早在80年代的苏联时期，有很多电厂使用劣质煤发电就存在有效自持燃烧的问题，使用燃料油可以解决点火和燃烧稳定性的问题，尽管煤的燃烧热等量提升了40％，但是却存在高成本以及存储燃油困难等。为了解决这个问题，等离子体技术被提出而且被证实有效，这种提高得益于煤粉被等离子体进一步粉碎、自由基的产生，以及加速了煤粉氧化的化学反应。同时实验还表明等离子体技术的另一个重要优势：相对较低温度的点火过程导致了这个阶段 nox产物的减少。cn202011331827、cn202110327362、cn202110287430等分别提出了使用等离子体对氨燃料进行处理，进入内燃机、喷气发动机和锅炉进行燃烧，并在内燃机、喷气式发动机和锅炉内产生等离子体进行辅助燃烧，所采用的主要技术包括氨燃料的燃前裂解、发动机内的局域点火助燃和空气的等离子体预活化，所产生的等离子体利用率不高且作用受限，比如氨燃料的燃前裂解主要集中在氨燃料的热分解(电子作用较小)；空气等离子体活化主要利用长寿命自由基o3，而氧化性更强的羟基和氧原子等无法起到作用，进而导致等离子体利用效率低、能耗高、化学反应不彻底。
4.在另一领域，氨是大宗化工产品，世界上每年合成氨产量达到18亿吨以上，其中80％用来制造肥料，其余主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。当前合成氨主流的方法是使用氮气和氢气的hb方法，但hb方法需要高温、高压及催化剂，整个生产过程还需要消耗大量的电力、蒸汽等二次能源，能耗约占世界能源消耗的3％，而且在生产过程中排放大量的废水、废气和废渣。生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能，但产量受限，多数尚处于理论阶段。aoyama gakuin大学的shigeyuki thnaka等人用射频和微波等离子体将氮气和氢气解离、激发，在铁丝线圈的催化作用下结合生成氨，效率低、能耗大。duy khoe dinh 等人利用滑动弧结合介质阻挡放电的形式进行固氮，硝酸根产物能耗8mj/mol，比成熟的 hb方法高一个量级以上。
技术实现要素：5.针对前述的两个化学反应的不足之处，本实用新型提供了一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，采用本发明涉及的系统可以使难以燃烧的燃料(如煤或氨气)燃烧更加充分，污染物排放更少，实现节能减排的目的；可以提高氮气氧化程度，提高固氮效率，降低后端利用的成本。本实用新型的突出特点是结合高频点火器和渐变波导的作用提高微波等离子体的稳定性，利用磁场提高微波等离子体的电离率，进而增强微波等离子体用于辅助化学反应系统的效率，具体包括燃料燃烧的辅助及氮氧化物生成的增强效果，将允许微波等离子体运行在更高的气压和气体流量中。
6.本实用新型采用的技术方案是：
7.一种耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，该系统包括：渐变波导、耐高温介质管、滑动弧模块、上微波转接、磁体系统、上腔体、介质管外冷却管、上密封圈、冷却旋环、下密封圈、顶端密封板、下腔体、底部挡板；所述的渐变波导包括矩形部分、渐变部分和顶端部分，所述耐高温介质管穿过所述顶端部分的中部区域，所述滑动弧模块放置在耐高温介质管的顶部，且所述耐高温介质管通过上微波转接、上腔体、下密封圈和上密封圈固定于所述渐变波导，并形成微波等离子体反应腔，所述滑动弧模块、下密封圈和上密封圈位于上腔体内部；所述上微波转接外部安装冷却旋环，耐高温介质管穿过渐变波导后向下穿过下腔体；所述底部挡板和所述底端密封板固定于下腔体下端，并通过密封圈固定于耐高温介质管底部，所述介质管外冷却管置于耐高温介质管外侧，并置于所述顶端部分的中部区域，以冷却产生等离子体时对耐高温介质管的热冲击，所述磁体系统固定于下腔体与矩形波导之间。
8.进一步的，所述耐高温介质管由99陶瓷、95陶瓷、石英、氮化硼和氮化硅材料中任一种烧制而成。
9.进一步的，所述耐高温介质管为石英管。
10.进一步的，所述磁体系统包括磁体直流电源和磁体线圈，所述磁体直流电源用于磁体线圈产生磁场所需的励磁电流，所述磁体线圈用于产生所述系统所需的磁场。
11.进一步的，所述渐变波导为单端变窄结构，或双边变窄结构，或e-h交叉结构。
12.进一步的，所述系统还包括短路活塞，该短路活塞紧密连接在渐变波导的后端。
13.进一步的，所述系统还包括微波电源，用于为渐变波导供电，所述微波电源的频率为 2.45ghz、915mhz，或1ghz-10ghz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。
14.进一步的，所述磁增强微波等离子体辅助化学反应系统工作压力为10pa至10000pa，常压、或过常压，且常压＝1atm，1atm《过常压《10atm。
15.本实用新型所述化学反应系统是指某类元素的固定反应，如固氮反应，或是燃料燃烧提供热能的反应，如天然气、氨、氢气、乙烷、丙烷、煤、汽/柴油等。
16.本实用新型的工作原理是：
17.本实用新型通过使用微波局部增强技术、高气压放电击穿技术等，使用高频点火器如所述滑动弧模块在常压或高气压(1-10atm)耦合微波能量形成微波等离子体；或者在系统为真空状态下直接获得中高气压微波等离子体射流，无需调整电极结构和位置、无需使用导电性液体、无需点火器或额外预电离设备，在启弧之后通过逐渐调整工作气压和放电功率的方式逐渐将放电等离子体由辉光工作模式过渡到弧光放电模式。通过调节放电腔体内放电气压或放电功率或工作气体种类实现等离子体的不同作用与功能。本发明所涉及的装置将实现多个功能：(1)煤、氨等难燃耗的燃料的等离子体辅助燃烧，其原理是利用微波等离子体所产生的大量电子、离子、活性自由基等，氧原子、羟基等活性自由基将极大的促进煤、氨等燃料的燃烧性能；(2)利用氮气和氧气在等离子体的热作用和粒子作用促进氮的离解和氧原子等高活性粒子的产生，促进氮氧化物的生成和固氮效率。
18.最重要的是本系统耦合了磁场系统，增加磁场对等离子体的积极影响，特别是在满足电子回旋共振频率条件下(磁场强度和微波频率匹配)，磁场作用下的电子回旋运动过程中不断吸收微波携带的电磁能量，使得电子能量提高，增加电子碰撞引起的化学过程，比如燃烧过程和氮/氧的化学反应过程，提高气体离解率和电子密度，进而提高n、o、oh、nox等活性基团的浓度，且这些活性基团浓度可通过功率、氮/氧/燃料配比调整。
19.本实用新型的优点是：
20.本实用新型所涉及的系统为真空状态下直接获得中高气压微波等离子体射流，无需调整电极结构和位置、无需使用导电性液体、无需点火器或额外预电离设备，在启弧之后通过逐渐调整工作气压和放电功率的方式逐渐将放电等离子体由辉光工作模式过渡到弧光放电模式；同时结合微波局部增强技术、高气压放电击穿技术等，使用高频点火器在常压或高气压 (1-10atm)耦合微波能量形成微波等离子体，通过调节放电腔体内放电气压或放电功率或工作气体种类实现等离子体的不同作用与功能。通过本实用新型所涉及的系统通过使用磁增强微波等离子体技术将有利于氨或煤粉等难燃烧燃料的高效燃烧和利用；同时，本系统将充分利用磁场作用下电子回旋碰撞产生更高的电子能量，获得更高的活性粒子，结合dbd臭氧发生器技术增加固氮效率。
附图说明
21.图1是本发明提供的耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统；
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本实用新型的保护范围。
23.图1为本实用新型提供的实施例耦合高频点火器的磁增强微波等离子体辅助化学反应系统，如图1所示，该系统包括：渐变波导1、耐高温介质管2、滑动弧模块3、上微波转接4、磁体系统5、上腔体6、介质管外冷却管7、上密封圈10、冷却旋环9、下密封圈8、顶端密封板11、下腔体12、底部挡板13。
24.所述的渐变波导1包括矩形部分、渐变部分和顶端部分，所述耐高温介质管2穿过所述顶端部分的中部区域，所述滑动弧模块3放置在耐高温介质管2的顶部，且所述耐高温介质管2通过上微波转接4、上腔体6、下密封圈8和上密封圈10固定于所述渐变波导1，并形成微波等离子体反应腔，所述滑动弧模块3、下密封圈8和上密封圈10位于上腔体6内部；所述上微波转接4外部安装冷却旋环9，耐高温介质管2穿过渐变波导1后向下穿过下腔体 12；所述底部挡板13和所述顶端密封板11固定于下腔体12下端，并通过密封圈固定于耐高温介质管2底部，所述介质管外冷却管7置于耐高温介质管2外侧，并置于所述顶端部分的中部区域，以冷却产生等离子体时对耐高温介质管2的热冲击，所述磁体系统5固定于下腔体12与渐变波导1之间。
25.所述耐高温介质管2为石英管。
26.所述磁体系统包括磁体直流电源和磁体线圈，所述磁体直流电源用于磁体线圈产生磁场所需的励磁电流，所述磁体线圈用于产生所述系统所需的磁场。
27.所述渐变波导1为单端变窄结构。
28.所述系统还包括短路活塞，该短路活塞紧密连接在渐变波导1的后端。
29.还包括微波电源，用于为微波等离子体辅助化学反应系统提供微波，微波通过渐变波导传输至反应系统，所述微波电源的频率为2.45ghz、915mhz，或1ghz-10ghz中的单个频点或带有一定带宽的微波频率段。
30.所述磁增强微波等离子体辅助化学反应系统工作压力为10pa至10000pa，常压、或过常压，且常压＝1atm，1atm《过常压《10atm。
31.本实用新型的工作过程如下：电磁波通过渐变波导1辐照至耐高温介质管2，在耐高温介质管2中产生通过激励介质管中的气体介质，该气体介质经过滑动弧模块3进行预电离，同时吸收电磁波进一步提高电离度，形成高密度等离子体，该等离子体将有利于氨或煤粉等难燃烧燃料的高效燃烧和利用。
32.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。